一種新的圖像質(zhì)量評價方法*

秦樹海，佟惠軍，饒 敏

(空軍航空大學航空軍械工程系，長春 130022)

0 引言

圖像質(zhì)量評價方法總體上可以分為主觀評價和客觀評價兩類[1]。圖像在傳輸過程中易發(fā)生由于所用傳輸信道的干擾而受到噪聲污染，使用者必然會對受擾圖像進行一定處理，使其符合使用要求[2]。圖像處理的好壞就需要運用各種質(zhì)量評價方法來對其進行判斷，而運用最為廣泛和準確的是圖像客觀評價方法中的全參考圖像質(zhì)量評價[3]。

由于原始圖像已被噪聲污染，而全參考型對原始圖像的苛刻要求，使得該方法的運用存在極大不便，文中就是解決在原始圖像未知的情況下，仍然可以使用全參考型對圖像的質(zhì)量進行較為準確的評價。

1 全參考圖像質(zhì)量評價方法的評價指標

全參考型指的是原始圖像是完全己知的，并且認為沒有任何失真，可用來作為評價失真圖像質(zhì)量的參照。目前大多數(shù)圖像質(zhì)量評價算法都屬于全參考型。

圖像逼真度的測量通常是計算出被評價圖像與原始圖像之間的統(tǒng)計誤差，若誤差越小，則從統(tǒng)計意義上來說，被評價圖像與原始圖像的差異越小，圖像的逼真度就越高，圖像質(zhì)量也就越高。常用的評價指標有平均絕對誤差、均方誤差、歸一化均方誤差、信噪比與峰值信噪比[4]。

1)均方誤差(MSE)

均方誤差的值越小表示圖像質(zhì)量越好。其計算表達式為:

2)歸一化均方誤差(NMSE)

歸一化均方誤差也是值越小表示圖像質(zhì)量越好。其計算表達式為:

3)信噪比(SNR)與峰值信噪比(PSNR)

信噪比與峰值信噪比是值越大代表圖像質(zhì)量越好。表達式分別如下:

以上各式中，M和N分別是圖像長度和寬度上的像素個數(shù)，f(i，j)、f^(i，j)分別是原始圖像和被評價圖像在點(i，j)處的灰度值。

2 使用郵戳的全參考型圖像質(zhì)量評價

在原始圖像傳輸前，將郵戳放置于圖像中，郵戳就是在圖像中選定相對次要的位置，按事先約定放置通信收發(fā)雙方都已知的局部圖像，文中郵戳選取77*77點白電平已知圖像，四角分布，畫面選取300*400點，單個郵戳占畫面5%，如圖1。

圖1 全圖像和加郵戳后圖像

原則上，郵戳可以設(shè)計成任意圖案。為更好保持圖像的可理解度和方便后期使用，圖案設(shè)計應(yīng)根據(jù)如下二條原則:

1)郵戳圖案生成數(shù)學模型應(yīng)簡單，計算機容易生成，以便于編程處理。

2)郵戳在圖像中的分布設(shè)計應(yīng)盡量放在圖像的次要部分，以減少對圖像主要信息的破壞。建議采用四角郵戳，但所選郵戳總面積應(yīng)小于圖像的20%。

3 仿真實驗及結(jié)論

使用MATLAB仿真軟件[5]，用噪聲對使用郵戳的圖像和全圖像(圖1)同時進行干擾，得到干擾圖像(圖2)，再對受擾圖像進行去噪處理，得到圖3和圖4，由于郵戳圖像的郵戳部分是已知的，因此，郵戳圖像的郵戳部分可運用全參考圖像質(zhì)量評價方法對其進行質(zhì)量評價;對于全圖像的質(zhì)量評價，也運用全參考型。仿真圖如圖2～圖4，表1各評價指標為實時處理結(jié)果，表 2各評價指標均計算20次，然后取平均值。

圖2 受噪聲干擾后圖像

圖3 濾波后圖像(濾波窗口7×7)

圖4 濾波后圖像(濾波窗口3×3)

通過仿真實驗，圖2為受噪聲干擾后的圖像，已經(jīng)無法辨認圖中信息，因此，其圖像質(zhì)量應(yīng)為最差;圖3由于所選濾波窗口過大，圖像經(jīng)過去噪處理后變得模糊，導(dǎo)致一些細節(jié)信息無法辨認，圖像質(zhì)量可判為中等;圖4的去噪處理比較成功，圖像細節(jié)都顯現(xiàn)出來了，圖像質(zhì)量應(yīng)為最好。

表1 實時圖像質(zhì)量評價指標結(jié)果

從表1和表2的數(shù)據(jù)來看，郵戳圖像和全圖像的各評價指標，圖像的均方誤差和歸一化均方誤差值呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，而信噪比和峰值信噪比呈不斷增加的趨勢;不論是實時處理還是多次統(tǒng)計取平均值，其結(jié)果都與主觀評價相吻合，都說明圖像的質(zhì)量越來越好，這也與人眼的觀察相一致，因此，基于郵戳的圖像質(zhì)量評價方法可以對圖像質(zhì)量進行很好的評價，具體結(jié)論如下:

1)該方法可以以局部圖像的質(zhì)量評價結(jié)果估計整幅圖像的質(zhì)量，并且與人的視覺效果相一致。

表2 統(tǒng)計平均后的圖像質(zhì)量評價指標結(jié)果

2)在考慮圖像的實際運用時，郵戳的理想分布是四角和四周分布，從而盡可能降低對圖像主要信息的破壞。

3)郵戳的整體大小應(yīng)占整幅圖的16% ～22%，以20%為宜，過大或過小的郵戳影響評價效果。

4)由于郵戳的存在，在一定程度上破壞了圖像的整體效果，因此該方法也存在局限性，適用于對圖像邊緣信息要求不高的領(lǐng)域。

[1]王菲.運動模糊圖像的恢復(fù)及恢復(fù)質(zhì)量評價[D].西安電子科技大學，2010.

[2]楊琬，吳樂華，范曄.數(shù)字圖像客觀質(zhì)量評價方法研究[J].通信技術(shù)，2008，41(7):244 －246.

[3]倪曉明.基于小波變換圖像質(zhì)量評價新算法[D].廈門:廈門大學，2009.

[4]謝鳳英，趙丹培.Visual C++數(shù)字圖像處理[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[5]飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB 7輔助信號處理技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.